陳志挺 劉岑瑩 連鴻斌 饒瑞曄 曾韋斌
(武夷學院 生態(tài)與資源工程學院,福建 武夷山 354300)
我國紡織行業(yè)排放的廢水量巨大,其中印染廢水組成成分復雜,水質多變,具有高COD,高毒性,難降解等特點。同時印染廢水中含有染整過程中所流入的各種有機染料、表面活性劑等,大部分成分難以被傳統(tǒng)微生物法降解。若沒有經處理達標后排放,不僅會對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染和破壞,而且容易通過動物和植物累計進入人體,對人體造成危害[1]。
目前印染廢水的處理方法主要有混凝法、吸附法、氧化法、電化學法、生化法等等[2-5]?;炷ㄌ幚硗都拥幕炷齽┹^多,同時排放的污泥量也大存在處理成本高,污泥后續(xù)處理的難度大的問題。吸附法對一些水溶性較好的染料吸附效果較好,但此方法會產生較多的泥渣,同樣需要進一步處理。電化學法具有對環(huán)境溫和,具有不產生二次污染等優(yōu)點,但其過程能耗大等缺點使其尚未得到大范圍的應用。生化法為傳統(tǒng)處理方法,具有處理成本低等優(yōu)點,但由于染料廢水的復雜性,常需要物理化學法進行前處理,且對菌種的選育難度較大。
高級氧化法具有反應快速,不產生二次污染等優(yōu)點受到廣泛關注。本研究采用常溫常壓的濕式氧化法,以雙氧水為氧化劑,通過浸漬法制備催化劑,對模擬染料廢水進行影響因素探究。
稱取等量多份(每份60g)的活性炭進行預先清洗,將其附著的炭粉清洗去除,干燥備用。稱取一定量的硝酸銅和硝酸鉀,配制成一定濃度的浸漬液,將清洗后的活性炭浸漬24小時。完成后在烘箱中干燥,接著在氮氣氛圍下于管式爐中280℃煅燒4小時后即得到K修飾Cu/AC負載型催化劑。
實驗中以10mg/L濃度亞甲基藍溶液作為反應液,雙氧水添加量為0.5%,使用蠕動泵將反應液輸入裝有催化劑的層析柱中,每隔一段時間取樣測試。
其中催化劑對亞甲基藍溶液的脫色率計算如下:
式中:η為降解率;C0表示為反應前亞甲基藍溶液的濃度;C為反應后t時亞甲基藍溶液的濃度。
圖1 不同Cu,K負載量對催化性能的影響
采用不同Cu,K摩爾比浸漬煅燒得到的催化劑效果如圖1所示。結果表明,Cu負載與K修飾都可以提升脫色效率,Cu:K為0.5mol:0.5mol配置的浸漬液制備的催化劑表現最佳,4h反應后脫色率仍能保持至75%以上。K在煅燒后形成氧化物,反應過程中轉化為氫氧化物,對活性炭有一定腐蝕作用,提供更多活性位點[6]。Cu氧化物作為雙氧水的催化劑,將雙氧水催化分解為羥基自由基,將染料大分子氧化脫色。
實驗結果顯示,pH值對催化過程有明顯的影響(圖2),pH大于7,脫色效率上升,但消耗大量的堿液調節(jié),增加處理成本。當pH小于7時,由于部分Cu氧化物與酸反應流失,脫色效率下降。亞甲基藍水溶液本身呈弱堿性,故選擇pH值為7~9作為反應合適pH值。一方面保護催化劑活性組分穩(wěn)定,另一方面結合脫色效率與經濟性考慮。
圖2 不同反應液pH對催化性能的影響
反應溫度影響反應速率,溫度較低,反應速率較慢。溫度較高,能夠提升催化效率,但同時會加快雙氧水的自分解速率。本實驗選取不同反應溫度,分別為:30℃、40℃、50℃、60℃、70℃,其降解率如圖3所示。對比常溫溫度,溫度高于后,脫色效率提升較大,達到95%以上。但當溫度繼續(xù)升高,則脫色效率提升不明顯。綜合經濟性考慮,選擇40℃作為最佳反應溫度。
圖3 反應溫度對催化性能的影響
為考察催化劑在運行時的穩(wěn)定性及連續(xù)使用壽命,設計24h連續(xù)反應實驗。采用自制連續(xù)反應實驗裝置,在單因素最優(yōu)的條件下進行,每隔一定時間取樣進行脫色效率測試。其結果如圖4所示。
圖4 24h連續(xù)穩(wěn)定實驗測試
當反應進行到120~150min,廢水脫色率已經達到了95%以上,之后降解率一直維持95%以上,保持穩(wěn)定,出水水質接近透明,且此時出水CODCr去除率也達到了91.6%以上。結果表明,K修飾的Cu/AC具有較高的脫色率以及降解性能,并且具備良好的穩(wěn)定性。
通過浸漬煅燒法制備K修飾Cu/AC催化劑,探討催化劑Cu,K負載量,反應液pH值,反應溫度對亞甲基藍模擬廢水的處理情況。結果表明最佳反應條件為Cu:K為0.5mol:0.5mol,pH為弱堿性,溫度為40°C時,對10mg/L模擬廢水的脫色率可以達到95%以上,并且該催化劑具有穩(wěn)定的處理效率。該結果一方面由于K的修飾使得活性炭表面具備更多的活性位點,增強其吸附性能,另一方面由于活性組分Cu在合適的條件下對雙氧水進行催化分解,使得染料大分子被降解甚至部分被礦化。該催化劑具有反應快速,成本低廉,易制得等優(yōu)點,但實際廢水成分復雜,水量多變,還需對催化劑進行進一步的優(yōu)化以適應實際情況,才可有望應用于印染廢水處理。